基于3R伪刚体模型的柔顺杆动力学建模及分析

介绍了柔顺机构中的3R伪刚体模型。利用Matlab软件的符号运算推导出了该模型柔顺杆的动能和变形能方程。应用拉格朗日方程建立了柔顺杆末端载荷作用下的动力学模型。特征半径系数和刚度系数代入方程组获得向心力、惯性力矩、科氏惯性力矩等系数,并分析了其相互耦合对伪刚体角变量的影响。通过数值求解二阶变系数微分方程组获得动态响应曲线和位形图,曲线反映出伪刚体杆从1杆到3杆振幅逐渐增大、杆件的耦合降低的振荡情况,较2R伪刚体模型的动力学方程模拟柔顺杆动力特性更具实用性和通用性。     

力矩载荷下的柔顺机构2R伪刚体动力学模型

柔顺机构的研究在结构学及运动学方面取得了大量成果,但是在动力学方面的成果却很少。本文首次以柔顺杆为研究对象,建立其在力矩载荷下的2R伪刚体动力学模型,并应用拉格朗日方程推导出动力学方程,进行了动力学响应分析,给出了相应的动态位形图。同时与1R伪刚体动力学模型做比较,从方程、响应曲线等方面分析2R伪刚体动力学模型的特点,表明此模型的优越性。     

柔顺机构动力学建模新方法

由于柔性杆大变形所引起的几何非线性因素的影响,柔顺机构动力学模型的建立变得更加复杂、困难。基于此,在充分考虑柔性杆大变形特性的基础上,基于简化思想,提出一种柔顺机构动力学建模的新方法。该方法主要以末端受纯弯矩、垂直力以及固定—导向等3种模式下的柔性杆为研究对象,根据欧拉—伯努利方程,并结合伪刚体模型所得边界条件,利用最小二乘原理,拟合柔性杆的变形曲线方程;通过求解变形曲线对时间的导数,得到其上任意点的速度,进而推出柔性杆的动能表达。基于伪刚体模型,根据功能转换关系,推导出柔性杆的变形势能。在此基础上,建立平行导向柔顺机构的动力学模型。最后,结合具体算例,通过对几种不同模型所得系统频率比较分析,验证了该方法的有效性。     

模拟柔顺机构中柔顺杆件末端特征的2R伪刚体模型

柔顺机构是一种新型机构,其中包含的柔顺杆件会因为产生大变形而导致分析起来十分复杂。伪刚体模型能够简化柔顺杆件的大变形分析。基于伪刚体模型的原理,针对柔顺机构中的柔顺杆件,提出以末端转角参数化近似方法为基础的2R伪刚体模型。该模型用两个不同劲度系数的扭转弹簧连接3个不同长度的刚性杆件,并用特征半径系数表征刚性杆件的长度,用刚度系数表征扭簧的扭转能力,通过二维搜索得到模型的最优特征半径系数,应用线性回归方法得到模型的刚度系数。该模型能准确模拟柔顺机构中柔顺杆件的末端变形轨迹和变形角度。推导柔顺杆件和伪刚体模型变形时的应变能公式,通过数值对比,从能量角度评价伪刚体模型储存应变能的能力。     

基于伪刚体模型的柔顺簧片性能分析

柔顺簧片的性能对微动机构运动精度具有较大影响,因其具有非线性、大变形等特点,根据Bernoulli-Euler方程,结合伪刚体模型,建立柔性簧片力学特性分析模型。研究载荷、位移,曲率等与柔顺簧片几何参数之间的关系,并求得系统的力学方程。最后通过算例分析柔顺簧片在精密导向机构中的应用,其为精密微动装置的设计提供一定的理论依据。     

分布式全柔顺机构伪刚体建模

分布式全柔顺机构不包含刚性杆件和运动副,其运动与能量的转换完全由柔顺构件的变形来实现,具有结构简单、质量轻和无关节间隙等优点.以J型储能脚为例研究此类机构伪刚体建模方法.为了提高模型精度,将柔顺机构等效成弹性铰接多刚体系统,基于柔顺构件的几何形状和刚度分布提出伪刚性段划分的曲率原则与刚度原则,给出等效关节扭簧常数的修正计算公式.应用影响系数理论给出弹性铰接多刚体系统受力变形的计算公式.通过与有限元计算结果对比,讨论伪刚体模型分段方法、段数和扭簧常数等因素对模型精度的影响,验证基于几何形状和刚度分布的伪刚性段划分方法的合理性,并获得了J型储能脚合理的划分段数和修正系数值.本建模方法不仅适用于开环分布式柔顺机构,还可以进一步应用于闭环分布式柔顺机构的伪刚体建模.     

柔顺机构PRR伪刚体模型的研究

在已有伪刚体模型的基础上,将柔顺机构里大变形柔顺杆的轴向变形和横向变形的影响都考虑进去,增加伪刚体模型的自由度,提出一种具有两个转动副和一个移动副的多自由度伪刚体模型。该模型将4个不同长度的刚性杆件用一个拉压弹簧和两个不同刚度系数的扭转弹簧依次连接,进而建立柔顺机构中大变形柔顺杆的PRR伪刚体模型。模型的参数运用二维搜索和线性回归法求得。通过数值分析计算,将该伪刚体模型与1R、和PR伪刚体模型以及柔顺杆的末端轨迹进行分析对比,验证了PRR伪刚体模型能够更加精确地反映柔顺杆末端轨迹的变形特征。     

柔顺机构中大变形柔性梁的2自由度伪刚体模型

针对柔顺机构中的大变形柔性梁,提出了一种新的伪刚体模型,即"两自由度伪刚体模型"。通过对模型末端倾角的进行参数化近似得出了模型最优特征半径系数,然后应用线性回归方法得到了模型的刚度系数。该模型能精确模拟柔顺机构中大变形柔性梁的变形轨迹和变形角度。最后通过末端轨迹的对比说明了该模型的优越性。     

仿袋鼠跳跃机构伪刚体模型的动力学分析

为解决袋鼠大长脚的柔性和肌肉的储能作用,根据袋鼠的跳跃特点,提出了仿袋鼠跳跃机构伪刚体动力学模型。建立了机构在跳跃过程中的运动学和动力学方程,讨论了袋鼠起跳时解除地面约束的条件和柔性机构的引入对各关节输入的影响。通过实例给出了跳跃过程模型底部受力的变化规律及其相应解释,用Matlab进行了仿真验证,证明柔性机构的引入有效地降低了关节最大输入扭矩,很好地模拟了袋鼠长脚的柔性和肌肉的储能作用。     

柔顺机构柔顺关节的动应力分析

以伪刚体动力学模型为基础，对一个平面柔顺导向四杆机构柔顺关节处的动应力进行了详细的分析，并针对柔顺机构运动特点研究了柔顺杆的运动效果对动应力的影响，给出了数值算例，验证了结论的正确性。     

基于有限元法的柔顺机构动力学分析

为描述柔顺机构动力学特性,需要建立其动力学模型。基于有限元法,根据Lagrange方程建立柔顺机构的动力学方程。在此基础上,得到机构各阶固有频率和模态,并给出固有频率和模态对各项设计变量的灵敏度计算方法。推导出柔顺机构中柔性杆件上任意一点应变的算法,计入应变中的非线性项。求解柔性杆件上任意位置的动应力,并计算杆件在各个时刻的最大应力及出现的位置。以平面柔顺四杆机构为例进行分析,说明基于有限元法对柔顺机构的动力学特性分析的可行性和有效性,并且指出柔顺机构杆件的动应力和应变分析对柔顺机构的优化设计具有重要意义。     

集中式柔性机构动力学等效分析方法研究

基于伪刚体模型与功能守恒定律,建立了集中式柔性机构动力学等效分析方法。在忽略杆件弹性变形的基础上,借助Paros给出的圆弧形柔性铰链扭转刚度计算公式,形成集中式柔性机构的伪刚体模型;依据动能不变及功率不变的原则,将柔性机构的伪刚体模型进行等效处理,建立了集中式柔性机构动力学等效分析方法。采用该方法,分别对单自由度和双自由度柔性机构进行了动力学等效分析,并将获得的解析解与ANSYS软件获得的数值结果进行了对比,证实了本文提出的动力学等效分析方法是十分有效的,该方法为柔性机构的动态优化设计提供了有力工具。     

平行导向柔顺机构动力学建模及其频率特性分析

基于柔性体模型,结合伪刚体模型所得边界条件,建立了平行导向柔顺机构的动力学模型.以此动力学模型,讨论柔性杆截面参数、几何结构参数以及材料性能参数对系统频率的影响.所得结论对柔顺机构的结构设计及其工程应用提供理论指导.     

基于伪刚体模型的腰部训练装置的运动学分析

考虑到康复运动过程中康复患者对康复机器人的作用,康复机器人的设计过程中将康复患者的康复部位作为其一部分进行设计和分析。将腰部考虑成柔性杆,并将其作为气动人工肌肉驱动的腰部训练装置的一部分进行分析。对腰部训练装置进行了结构介绍并分析了腰部在腰部训练装置中的作用,给出了腰部训练装置的运动学模型。对腰部训练装置进行了受力分析,结合腰部训练装置的功能对气动人工肌肉组件进行了设计和受力分析,使用伪刚体模型对腰部进行受力分析,得到了腰部脊柱与康复腰带结合点的受力结果,基于此对腰部训练装置整体进行受力分析,得到腰部训练装置中康复腰带与气动人工肌肉组件之间受力的关系。通过仿真验证了运动学分析和受力分析结果的正确性,并根据腰部训练装置的力学分析及仿真结果,进一步设计并搭建气动人工肌肉和柔索混合驱动并联腰部康复机器人试验平台。     

椭圆柔性铰链柔顺机构的动力学建模与分析

以椭圆的离心角为积分变量,得到椭圆柔性铰链的转角计算的积分公式,推导出椭圆柔性铰链的刚度表达式.在此基础上针对一种应用广泛的含椭圆柔性铰链的柔顺机构,建立其动力学模型,得到该机构系统的固有频率计算公式.通过算例分析了该机构的各种参量对系统固有频率以及柔性铰链刚度的影响.